無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的研究與改進(jìn)

郭宏巖

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110045）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)靈活性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？勺兊葍?yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。由于平面路由協(xié)議需要維護(hù)大的路由表和占用更多的存儲(chǔ)空間，因此它們不適合于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，因此分層路由協(xié)議試圖通過將節(jié)點(diǎn)安排在簇或樹結(jié)構(gòu)中，使一些節(jié)點(diǎn)在很近的距離內(nèi)傳輸?shù)揭粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，并將其用于讓這些節(jié)點(diǎn)將此信息轉(zhuǎn)發(fā)到基站。LEACH是一種比較成熟的具有代表性的經(jīng)典分層路由算法。其他分層路由協(xié)議如pegasis、teen等在LEACH上得到了改進(jìn)，因此LEACH更具代表性。本文主要研究LEACH算法，在降低功耗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[1-2]。

1 LEACH協(xié)議

1.1 LEACH概述

LEACH協(xié)議是麻省理工學(xué)院Heinzelman等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的一種低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議。LEACH協(xié)議的操作是輪詢進(jìn)行的，每輪包含兩個(gè)階段，即集群的建立和穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

1.2 LEACH的缺點(diǎn)

LEACH協(xié)議是一種基于簇的路由協(xié)議，它采用隨機(jī)的、自組織的自適應(yīng)聚類方法和局部控制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)采用低功耗MAC協(xié)議及相關(guān)信息處理技術(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，它也有一些缺點(diǎn)：一是LEACH協(xié)議每輪隨機(jī)選擇簇頭。因此，一些節(jié)點(diǎn)由于多次被選為簇頭而導(dǎo)致能量消耗過快。本文改進(jìn)后的協(xié)議使得剩余能量較大的節(jié)點(diǎn)有更多的機(jī)會(huì)作為簇頭，避免了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)過早死亡。二是LEACH協(xié)議中每輪的簇頭數(shù)目是不確定的，因此簇頭數(shù)目可能不是最優(yōu)的。隨機(jī)數(shù)只能取相似簇的個(gè)數(shù)在最佳且期望的個(gè)數(shù)相等，但事實(shí)上每輪的簇個(gè)數(shù)和最優(yōu)值都存在一定的偏差，導(dǎo)致LEACH協(xié)議性能下降。

2 改進(jìn)方案I-LEACH

2.1 聚類過程

針對(duì)上述不足，本文提出了一種改進(jìn)的LEACH協(xié)議I-LEACH（改進(jìn)LEACH）算法，主要是對(duì)其集群的進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化。選擇一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)考慮能量狀態(tài)，即所有傳感器節(jié)點(diǎn)必須監(jiān)測(cè)能量的變化，如果能量低于平均能量水平，則降低其成為第一個(gè)簇的概率。同時(shí)優(yōu)化簇的形成，使初始簇從基站進(jìn)入簇頭較高，降低簇頭的能耗。

2.2 初始簇頭

在我們的LEACH閾值t（n）中，通過添加能量因子來改進(jìn)，改進(jìn)的t（n）重置為等式1：

2.3 簇頭的形成

在選擇簇頭時(shí)，除了使用LEACH的不同閾值外，還選擇節(jié)點(diǎn)作為初始簇頭，此時(shí)初始簇開始以半徑d0廣播自己的簇頭開始正式競(jìng)爭(zhēng)，信號(hào)傳輸距離越短，能量越小消費(fèi)。這里使用了自由空間信道模型和多徑衰落信道模型無線信道模型。如果發(fā)射機(jī)之間的接收距離小于，則使用自由空間模型，該模型從能量損耗中發(fā)送數(shù)據(jù)并與平方成正比；否則，使用多徑衰落信道模型即雙徑模型，此時(shí)發(fā)射機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的能量損耗與距離成正比，與四次方成正比。為了使這里的能量消耗最小，所以取r值為半徑d0，其中為功率放大器的自由空間損耗，為多徑衰落下的功率放大器損耗。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到廣播時(shí)，如果選擇了初始簇頭，則要比較權(quán)重w（w是基站節(jié)點(diǎn)之間的距離）以選擇最小w作為簇頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。其他初始節(jié)點(diǎn)變?yōu)榉谴仡^節(jié)點(diǎn)。這樣減少了簇頭到基站的距離，節(jié)約了能源。確定簇頭后，簇頭節(jié)點(diǎn)開始在簇內(nèi)廣播其形式狀態(tài)。非簇首節(jié)點(diǎn)的集群開始發(fā)送加入消息，當(dāng)簇首接收到所有添加的消息時(shí)，根據(jù)成員節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以TDMA方式為每個(gè)非簇成員分配一個(gè)時(shí)隙，并用廣播方式發(fā)送給所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，這將確保集群內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在其他時(shí)間進(jìn)入冬眠狀態(tài)，減少能量消耗。節(jié)點(diǎn)知道數(shù)據(jù)的時(shí)隙后開始傳輸數(shù)據(jù)，而簇頭的能量則需要一直開啟。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)設(shè)置開始時(shí)，利用100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在（100，100）空間中，基站位置（50，175）中所有節(jié)點(diǎn)都是靜態(tài)的，帶寬設(shè)置為1Mb/s，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為500字節(jié)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始功率為2J。

3.2 仿真結(jié)果

仿真研究主要結(jié)果為：一是在250s后，I-LEACH路由協(xié)議比LEACH路由協(xié)議具有更低的能耗，同具有更好的整體能量利用率。二是LEACH協(xié)議在400s時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，而I-LEACH協(xié)議在420s時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，改進(jìn)后的協(xié)議節(jié)省了能量，縮短了節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間。因此延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

4 結(jié)束語

本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的LEACH算法，優(yōu)化簇頭節(jié)點(diǎn)，減少簇頭節(jié)點(diǎn)的多余能耗。通過仿真，改進(jìn)后的算法在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生存率，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存期，減少了網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。